电子束一次操纵原子

该图说明了通过使用电子束来控制石墨层内磷原子的位置的控制切换，如研究团队所展示的那样。由研究人员礼貌

工程的最终控制权是在最基本的水平上创建和操作材料的能力，通过精确控制通过原子制造原子原子。

现在，维也纳大学的科学家们，达到了几家机构，朝着那方面走了一步，开发一种可以用高度聚焦的电子束重新定位原子的方法并控制它们的确切位置和粘接方向。他们说，该发现最终可能会导致制造量子计算设备或传感器的新方法，并在新的“原子工程”中。

今日在中国科学的核科学与工程教授Ju Li，Vienna大学大学的Toma Susi教授苏·苏利教授，苏格·苏西教授，以及维也纳大学的统治教授，以及维也纳大学，橡树岭国家实验室，以及中国，厄瓜多尔和丹麦。

“我们正在使用很多纳米技术的工具，”李解释说，在材料科学与工程中持有联合任命。但在新的研究中，这些工具用于控制更小的数量级的进程。“目标是控制一到几百个原子，以控制他们的位置，控制他们的充电状态，控制他们的电子和核旋转状态，”他说。

显微镜图像与图示的图配对，示出了使用电子束在石墨晶片内的原子在石墨晶片内的移动，以便一次地操纵原子的位置。由研究人员礼貌

虽然其他人以前已经操纵了磷原子的位置，但甚至在表面上产生整齐的原子圈，该过程涉及在扫描隧道显微镜的针状尖端上拾取待磷原子，然后将它们放入位置，相对较慢机械过程。新工艺在扫描透射电子显微镜（阀杆）中使用相对论电子束操纵原子，因此可以通过磁透镜完全电控制并且不需要机械移动部件。这使得该过程可能更快，因此可能导致实际应用。

利用电子控制和人工智能，“我们认为我们最终可以在微秒的时间尺度操纵原子，”李说。“这比我们现在可以使用机械探头操纵它们的数量幅度。而且，应该有许多电子束在同一块材料上同时工作。“

“这是一个令人兴奋的atom操纵范例，”苏士说。

电脑芯片通常通过“掺杂”硅晶体与所需的其他原子赋予特定的电性能，从而在不保留硅的完全有序结晶结构的材料区域中产生“缺陷”。但这种过程是Scattershot，Li解释说，因此没有办法控制那些掺杂剂原子的原子精度。他说，新系统允许精确定位。

相同的电子束可用于将原子从一个位置敲门并进入另一个位置，然后“读取”新位置以验证原子最终的目标，李说。虽然定位基本上由概率决定，但不是100％准确，确定实际位置的能力使得只能选择最终以正确配置的能力。

原子足球

非常窄聚焦的电子束的力量，大致宽的原子，敲出其位置的雾，并通过选择光束的精确角度，研究人员可以确定它最有可能最终的位置。他说：“我们希望使用光束敲掉原子，基本上扮演原子足球，”他说，“将石墨烯场的原子划过石墨烯场，以其预期的”目标“位置。

“像足球一样，它不是确定性的，但你可以控制概率，”他说。“像足球一样，你总是试图走向目标。”

在球队的实验中，它们主要使用磷原子，常用的掺杂剂，在一片石墨烯中，以蜂窝图案布置的二维碳原子片。磷原子最终以该图案的部分代替碳原子，从而改变材料的电子，光学和其他特性，以便如果已知这些原子的位置，则可以预测。

最终，目标是以复杂的方式移动多个原子。“我们希望使用电子束基本上移动这些掺杂剂，因此我们可以制作金字塔，或者一些缺陷复杂，在那里我们可以在每个原子都坐在哪里，”李说。

这是第一次以电子方式在石墨烯中操纵的掺杂剂原子。“虽然我们以前用硅杂质合作，但磷既可能对其电磁性和磁性有关，但随着我们现在发现的，令人惊讶地表现出不同的方式。每个元素可能会持有新的惊喜和可能性，“Susi补充道。

该系统需要精确控制光束角度和能量。“如果我们不小心，有时我们有不必要的结果，”他说。例如，有时旨在保持在位置的碳原子“只是叶子”，并且有时磷原子被锁定在晶格中的位置，“那么无论我们如何改变光束角度，我们都不会影响其位置。我们必须找到另一个球。“

理论框架

除了详细的实验测试和观察梁和石墨烯的不同角度和位置的影响外，该团队还设计了理论基础，以预测追踪“足球足球的势头”，称为主要敲击空间形式主义的效果。球。“我们做了这些实验，也给了如何控制这个过程的理论框架，”李说。

李说，由初始梁产生的级联的级联效果在多个时间尺度上进行，这使得观察和分析棘手执行。相对论电子的实际初始碰撞（以Zeptoseconds的规模达到原子）的相对论电子（速度约45％）进行 - 二十亿分之十亿分之一 - 但格子中的原子的运动和碰撞展开时间尺度的皮秒或更长时间时间更长。

诸如磷的掺杂剂原子具有非零核旋转，这是基于量子的装置所需的关键性能，因为旋转状态容易受其磁场等环境的元件的影响。因此，在位置和粘合方面，能够将这些原子放置的能力可以是朝着开发量子信息处理或传感设备的关键步骤。

“这是该领域的重要进展，”伯克利加州大学的物理学教授Alex Zettl说，他没有参与这项研究。“晶格中的杂质原子和缺陷位于电子行业的心脏。由于固态装置较小，下降到纳米尺寸刻度，因此精确地知道在其中单个杂质原子或缺陷的位置越来越重要，以及其原子周围的内容。极具挑战性的目标是具有可扩展的方法，可控制地操纵或放置在所需位置中的近在原子，以及准确地预测放置对设备性能的影响。“

ZETTL表示，这些研究人员“对这一目标进行了重大进展。它们使用适度的能量聚焦电子束来同心原子的理想重新排列，并在原子量表中实时观察它们正在做的事情。一种优雅的理论论文，具有令人印象深刻的预测力量，补充了实验。“

除了领先的麻省理工学院团队之外，国际合作包括中国科学院大学维也纳大学的研究人员，丹麦奥胡斯大学，厄瓜多尔国家工业学院，橡木岭国家实验室和中国四川大学。该工作得到了国家科学基金会，美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所，奥地利科学基金，欧洲研究理事会，丹麦独立研究，中国科学院和美国部门活力。

出版物：Scott E. Boyken，等，“De Novo设计可调，PH驱动的构象变化，2019年5月17日科学：卷。 364，第6441页，第658-664页; DOI：10.1126 / science.Aav7897.